| 8406202 9216 1210 912 1з. методам выделения [$\lambda$] в пространстве или времени. Исторически первыми и наиболее распространёнными являются методы пространственного разделения [$\lambda$] (селективной фильтрации), к-рыеназ. "классическими" (группы 1 и 2 на рис. 2). В одноканальных С. п. (группа 1) исследуемый поток со спектром f([$\lambda$]) посылается на спектрально-селективный фильтр, который выделяет из потока нек-рые интервалы [$\delta$][$\lambda$] в окрестности каждой [$\lambda$]' и может перестраиваться (непрерывно или дискретно), осуществляя сканирование спектра во времени по нек-рому закону [$\lambda$]' (t). Выделенные компоненты [$\delta$][$\lambda$] посылаются на приёмник излучения, запись сигналов к-рого даёт функцию времени F(t)· Переход от аргумента t к аргументу [$\lambda$] даёт функцию F([$\lambda$]) - наблюдаемый спектр.
В многоканальных С. п. (группа 2) информация об исследуемом спектре получается путём одновременной регистрации (без сканирования по [$\lambda$]) неск. приёмниками потоков излучения разных длин волн ([$\lambda$]', [$\lambda$]", [$\lambda$]'", ...). Последние выделяют, напр., набором узкополосных фильтров или многощелевыми монохроматорами (полих[$\rho$]оматорами). Если расстояние между каналами не превышает [$\delta$][$\lambda$] и число каналов N достаточно велико, то получаемая
Рис. 2. Классификация методов спектрометрии по способам разделения длин волн. Контуры шириной [$\delta$][$\lambda$] символически изображают аппаратные функции (АФ). В "классических" методах (1 и 2) эти контуры описывают способность прибора пространственно разделять длины волн. В "новых" методах (Л и 4) АФ описывают способность прибора электрически разделять длины волн, кодированные различным образом в оптической части. В одноканальных методах (J и
3) применяется сканирование (символ-О" в многоканальных (2 и 4) сканирование отсутствует, и измерение интенсивностей излучения ряда длин волн [$\lambda$]', [$\lambda$]", [$\lambda$]''',... производится одновременно. Внутри каждой группы указаны краткие названия основных типов спектральных приборов, относящихся к данной группе.
информация аналогична содержащейся в записи спектра на сканирующем одноканальном приборе (при тех же [$\delta$][$\lambda$], одинаковых приёмниках и пр. равных условиях), но время измерения может быть сокращено в N раз. Наибольшая многоканальность достигается применением многоэлементных фотоэлектрич. приёмников излучения и фотографич. материалов (в спектрографах).
Принципиальной основой "новых" методов (группы 3 и 4 на рис. 2), получивших развитие с середины 60-х гг., является селективная модуляция, при к-рой функция разделения [$\lambda$] переносится из оптической в электрическую часть прибора.
В простейшем одноканальном приборе группы 3 исследуемый поток со спектром f ([$\lambda$]) посылается на спектрально-селективный модулятор, способный модулировать нек-рой частотой fa = const лишь интервал [$\delta$][$\lambda$] в окрестности [$\lambda$]', оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование [$\lambda$]' (f) производится перестройкой модулятора таким образом, чтобы различные [$\lambda$] последовательно модулировались частотой f0. Выделяя составляющую f0в сигнале приёмника с помощью электрич. фильтра, получают функцию времени F(t), значения к-рой пропорциональны соответствующим интенсивностям в спектре f ([$\lambda$]).
Многоканальные системы с селективной модуляцией (группа 4) основаны на операции мультиплексирования (multiplexing) - одновременном приёме излучения от многих спектральных элементов [$\delta$][$\lambda$] в кодированной форме одним приёмником. Это обеспечивается тем, что длины волн [$\lambda$]', [$\lambda$]", [$\lambda$]'",... одновременно модулируются разными частотами f', f", f"', ... и суперпозиция соответствующих потоков в приёмнике излучения даёт сложный сигнал, частотный спектр к-рого по f несёт информацию об исследуемом спектре по [$\lambda$]. При небольшом числе каналов компоненты f', f",f"',... выделяются из сигнала с помощью электрич.
фильтров. По мере увеличения числа каналов гармонический анализ сигнала усложняется. В предельном случае интерференционной модуляции искомый спектр f([$\lambda$]) можно получить фурьепреобразованием регистрируемой интерферограммы (см. Фурье-спектроскопия). Среди др. возможных способов многоканального кодирования получили практическое применение маски-матрицы Адамара (см. ниже).
За рамками классификации, приведённой на рис. 2, остаются лишь методы, использующие почти монохроматич. излучение перестраиваемых лазеров (см. Спектроскопия лазерная).
Все рассмотренные группы методов спектрометрии нашли практич. воплощение в конструкциях С. п., но относит, распространённость их различна. Напр., спектрометры си сам, относящиеся к группе 3, осуществлены лишь в неск. лабораторных экспериментальных установках, а классич. приборы на основе монохроматоров получили повсеместное распространение как осн. средство анализа структуры и состава веществ. Рассмотрим наиболее распространённые типы С. п., следуя приведённой классификации.
1. Одноканальные С. п. с пространственным разделением длин волн
Основой схемы приборов этой группы (рис. 3) является диспергирующий элемент (дифракционная решётка, зшелетт, интерферометр Фабри - Перо, призма), обладающий угловой дисперсией [$\Delta$][$\varphi$]/[$\Delta$][$\lambda$]. Он позволяет развернуть в фокальной плоскости Ф изображение входной щели Щ в излучении разных длин волн. Объективами O1 и O2 обычно служат сферич. или параболич. зеркала, т. к. их фокусные расстояния не зависят от [$\lambda$] (в отличие от линзовых систем). Одноканальные схемы имеют в фокальной плоскости Ф одну выходную щель и наз. монохроматорами. Сканирование по [$\lambda$] осуществляется, как правило, поворотом диспергирующего
элемента или вспомогательного зеркала. В простейших монохроматорах вместо решёток и призм применяются циркулярно-клиновые светофильтры с непрерывной перестройкой узкой полосы пропускания или наборы узкополосных светофильтров, дающие ряд дискретных отсчётов для разных [$\lambda$] .
Рис. 3. Принципиальная оптическая схема спектрального прибора с пространственным разделением длин волн с помощью угловой дисперсии: / - коллиматор с входной щелью Щ и объективом О[$\iota$], фокусное расстояние которого Ct; 2 - диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией [$\Delta$][$\varphi$]/[$\Delta$][$\lambda$]; 3 - фокусирующая система (камера) Сц объективом О2, создающим в фокальной плоскости Ф изображения входной щели в излучен нии разных длин волн с линейной диспер-сией [$\Delta$]x/[$\Delta$][$\lambda$]. Если в плоскости Ф установлена одна выходная щель, то прибор называется монохроматором, если несколько - полихроматором, если фото-чувствительный слой (или глаз) - спектрографом (или спектроскопом).
На основе монохроматоров строятся однолучевые и двухлучевые спектрометры. Для однолучевых С. п. (рис. 4) характерно последовательное соединение функциональных элементов. В случае измерения спектров пропускания или отражения обычно используется встроенный источник сплошного спектра излучения; для измерения спектров внешних излучателей предусматриваются соответствующие осветители. Для С. п. этого типа соотношение (1) обычно имеет
вид: R2M корень([$\Delta$]f) = К ([$\lambda$]), и накладываемые им ограничения на R и [$\Delta$]f играют осн. роль в инфракрасной (ИК) области, где яркости источников быстро уменьшаются и значения К малы. В видимой и ближней ИК-областях энергетич. ограничения играют меньшую роль и рабочие значения R могут приближаться к дифракционному пределу (напр.,
Рис. 4. Блок-схема однолучевого одноканального спектрального прибора: И - источник излучения: M - оптический модулятор (обтюратор); О - исследуемый образец; Ф - сканирующий фильтр (vjнохроматор); Я - фотоэлектрический приёмник излучения; У - усилитель и преобразователь сигналов приёмника; P - аналоговый или цифровой регистратор.
в С. п. с дифракционными решётками к значению Rдиф = 2kvLsin[$\varphi$], где k - кратность дифракции, [$\nu$] = 1/[$\lambda$] - волновое число, L - ширина решётки, [$\varphi$] - угол дифракции).
Двухлучевые схемы характерны для спектрофотометров. Рассмотрим типичные приборы группы 1.
Спектрометры высокого разрешения
для исследований структуры атомных и молекулярных спектров представляют собой стационарные лабораторные установки, работающие по схеме, приведённой на рис. 4. Их длиннофокусные (до 6 м) монохроматоры помещаются в вакуумные корпуса (для устранения атмосферного поглощения) и располагаются в виброзащищённых и термостабилизированных помещениях. В этих приборах используется 2- и 4-кратная дифракция на больших эшелеттах, применяются высокочувствительные охлаждаемые приемники, что позволяет достигать в спектрах поглощения значений R = 2*105 при [$\lambda$] = 3 мкм. Для выявления ещё более тонкой структуры в схему вводят интерферометры Фабри - Перо, в к-рых сканирование по [$\lambda$] в пределах узкого диапазона производится изменением давления в зазоре или изменением величины |
